Cân bằng rôto: mất cân bằng tĩnh và động, cộng hưởng và quy trình thực hành
Hướng dẫn này giải thích cân bằng rôto cho rôto cứng; nội dung gồm: mất cân bằng là gì, “mất cân bằng” có nghĩa là gì, mất cân bằng tĩnh và động khác nhau ra sao, vì sao cộng hưởng và tính phi tuyến có thể cản trở kết quả chất lượng, cũng như việc cân bằng thường được thực hiện trong một hoặc hai mặt phẳng hiệu chỉnh như thế nào.
Nội dung
- Rôto là gì và việc cân bằng giúp khắc phục những vấn đề gì?
- Các loại rôto và các loại mất cân bằng
- Sự rung động của các cơ cấu: những gì cân bằng có thể và không thể loại bỏ
- Cộng hưởng: một yếu tố ngăn cản sự cân bằng
- Mô hình tuyến tính so với mô hình phi tuyến tính: khi nào các phép tính không còn hiệu quả
- Thiết bị cân bằng và máy cân bằng
- Cân bằng rôto cứng (ghi chú thực hành)
- Cách thức thực hiện cân bằng động (phương pháp ba lần chạy)
- Tiêu chí đánh giá chất lượng cân bằng
- Tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo
- Câu hỏi thường gặp
Rôto là gì và việc cân bằng giúp khắc phục những vấn đề gì?
Rô-to là một bộ phận quay quanh một trục nhất định và được giữ cố định bởi các bề mặt ổ đỡ của nó trên các giá đỡ. Các bề mặt ổ đỡ của rô-to truyền tải trọng đến các giá đỡ thông qua các ổ lăn hoặc ổ trượt. Các bề mặt ổ đỡ này chính là các bề mặt của các ngõng trục hoặc các bề mặt thay thế cho chúng.
Trong một rôto cân bằng hoàn hảo, khối lượng của nó được phân bố đối xứng quanh trục quay, nghĩa là bất kỳ phần tử nào của rôto cũng có thể được ghép nối với một phần tử khác nằm đối xứng quanh trục quay. Trong một rôto cân bằng, lực ly tâm tác dụng lên bất kỳ phần tử nào của rôto đều được cân bằng bởi lực ly tâm tác dụng lên phần tử đối xứng. Ví dụ, các lực ly tâm F1 và F2, có độ lớn bằng nhau và hướng ngược nhau, tác dụng lên các phần tử 1 và 2 (được đánh dấu màu xanh lá cây trong Hình 1). Điều này đúng với tất cả các phần tử rôto đối xứng, và do đó tổng lực ly tâm tác dụng lên rôto bằng 0 và rôto được cân bằng.
Tuy nhiên, nếu tính đối xứng của rô-to bị phá vỡ (phần không đối xứng được đánh dấu bằng màu đỏ trên Hình 1), thì lực ly tâm không cân bằng F₃ sẽ tác động lên rô-to. Khi quay, lực này thay đổi hướng theo chiều quay của rô-to. Tải trọng động do lực này gây ra được truyền đến các ổ trục, dẫn đến tình trạng mài mòn gia tăng.
Ngoài ra, dưới tác dụng của lực đổi hướng này, các gối đỡ và bệ móng nơi rôto được lắp đặt sẽ biến dạng theo chu kỳ, tức là phát sinh rung động. Để loại bỏ mất cân bằng của rôto và rung động kèm theo, phải lắp các khối lượng cân bằng để khôi phục tính đối xứng của rôto.
Cân bằng rôto là thao tác hiệu chỉnh mất cân bằng bằng cách bổ sung các khối lượng cân bằng. Nói cách khác, mục tiêu là đưa trục quán tính trung tâm chính của rôto đến gần nhất có thể với trục quay của nó, để mất cân bằng dư nằm trong các giới hạn quy định.
Nhiệm vụ của việc cân bằng là xác định kích thước và vị trí (góc) của một hoặc nhiều khối cân bằng.
Các loại rôto và các loại mất cân bằng
Dựa trên độ bền của vật liệu rôto và độ lớn của lực ly tâm tác dụng lên nó, rôto có thể được chia thành hai loại - rôto cứng và rôto mềm.
Các rôto cứng chỉ biến dạng rất ít dưới tác động của lực ly tâm trong các chế độ làm việc, và ảnh hưởng của sự biến dạng này trong các tính toán có thể bỏ qua.
Không thể bỏ qua biến dạng của rôto mềm. Biến dạng này làm bài toán cân bằng phức tạp hơn và đòi hỏi mô hình toán học khác với cân bằng rôto cứng. Cùng một rôto có thể ứng xử như rôto cứng ở tốc độ thấp, nhưng như rôto mềm ở tốc độ cao. Tiêu chí thực tế là tốc độ làm việc so với tốc độ tới hạn thứ nhất (uốn) của rôto: rôto được coi là cứng — ISO 21940-11 gọi là rôto có “ứng xử cứng” — khi chạy thấp hơn đáng kể tốc độ này, trên thực tế dưới khoảng 50–70% tốc độ tới hạn thứ nhất. Vượt quá ngưỡng đó, rôto uốn theo một dạng dao động thay đổi theo tốc độ: nó là rôto mềm và phải được cân bằng theo phương pháp dạng dao động hoặc nhiều mặt phẳng (ISO 21940-12). Phần dưới đây chỉ xét cân bằng rôto cứng.
Tùy theo cách các khối lượng mất cân bằng phân bố dọc theo rôto, ISO 21940-2 phân biệt một số trạng thái mất cân bằng:
- mất cân bằng tĩnh — trục quán tính chính bị lệch song song với trục trục quay; có thể phát hiện khi không quay vì rôto sẽ xoay dưới tác dụng trọng lực cho đến khi điểm nặng nằm ở dưới. Một khối lượng hiệu chỉnh duy nhất trong một mặt phẳng sẽ loại bỏ nó;
- mất cân bằng ngẫu lực (mômen) — trục quán tính chính cắt trục quay tại tâm khối lượng; hai mất cân bằng bằng nhau nằm ở các mặt phẳng khác nhau và lệch nhau 180°. Nó chỉ xuất hiện khi quay và cần hai khối lượng hiệu chỉnh trong hai mặt phẳng;
- mất cân bằng động — trường hợp tổng quát trong thực tế: sự kết hợp của mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng ngẫu lực. Trục quán tính chính không song song cũng không cắt trục quay. Với rôto cứng, hai mặt phẳng hiệu chỉnh là cần thiết và đủ.
Thuật ngữ cũ “mất cân bằng mômen” là đồng nghĩa với mất cân bằng ngẫu lực; không nên nhầm với mất cân bằng động, là tổng của thành phần tĩnh và thành phần ngẫu lực. Hình 2 minh họa một rôto bị mất cân bằng tĩnh.
Mất cân bằng ngẫu lực chỉ xuất hiện khi rôto quay.
Hình 3 minh họa một rôto bị mất cân bằng ngẫu lực.
Trong trường hợp này, các khối lượng mất cân bằng bằng nhau M1 và M2 nằm trong các mặt phẳng khác nhau, tức ở các vị trí khác nhau dọc theo chiều dài rôto. Ở trạng thái tĩnh, khi rôto không quay, chỉ có trọng lực tác dụng và hai khối lượng cân bằng lẫn nhau. Khi rôto quay, các lực ly tâm Fc1 và Fc2 bắt đầu tác dụng lên M1 và M2. Các lực này bằng nhau về độ lớn và ngược chiều nhau. Tuy nhiên, vì chúng tác dụng tại các vị trí khác nhau dọc theo trục và không cùng một đường tác dụng, chúng không triệt tiêu nhau. Fc1 và Fc2 tạo ra mômen tác dụng lên rôto — vì vậy mất cân bằng ngẫu lực còn được gọi là mất cân bằng mômen. Do đó, tại các vị trí gối đỡ vẫn có các lực ly tâm chưa được bù, có thể lớn hơn nhiều giá trị tính toán và làm giảm tuổi thọ ổ trục.
Vì loại mất cân bằng này chỉ xuất hiện khi rôto quay, không thể hiệu chỉnh nó trong điều kiện tĩnh bằng cân bằng “trên dao” hoặc các phương pháp tương tự. Để loại bỏ mất cân bằng ngẫu lực, phải lắp hai quả cân bù tạo ra mômen bằng về độ lớn và ngược chiều với mômen do M1 và M2 tạo nên. Các khối lượng bù không nhất thiết phải đặt đối diện và bằng M1, M2; điều quan trọng là chúng tạo ra mômen bù hoàn toàn mômen mất cân bằng.
Nói chung, M1 và M2 có thể không bằng nhau; khi đó xuất hiện tổ hợp mất cân bằng tĩnh và ngẫu lực — chính là trường hợp tổng quát mà ISO 21940-2 gọi là mất cân bằng động. Về lý thuyết, với rôto cứng, hai quả cân đặt cách nhau dọc theo chiều dài rôto là cần thiết và đủ để loại bỏ mất cân bằng. Chúng bù cả mômen do thành phần ngẫu lực lẫn lực ly tâm do khối lượng không đối xứng so với trục rôto (mất cân bằng tĩnh). Thông thường, mất cân bằng ngẫu lực đặc trưng cho rôto dài như trục, còn mất cân bằng tĩnh đặc trưng cho rôto hẹp. Tuy nhiên, nếu rôto hẹp bị lệch so với trục hoặc bị biến dạng dạng “số tám”, việc loại bỏ mất cân bằng ngẫu lực sẽ khó khăn (xem Hình 4), vì khó lắp các quả cân hiệu chỉnh tạo ra mômen bù cần thiết.
Hai lực F1 và F2 không nằm trên cùng một đường thẳng và không triệt tiêu lẫn nhau.
Do cánh tay đòn để tạo mômen bù của rôto hẹp rất nhỏ, có thể phải dùng quả cân hiệu chỉnh lớn. Tuy nhiên, điều này cũng gây ra “mất cân bằng cảm ứng” do lực ly tâm từ các quả cân hiệu chỉnh làm biến dạng rôto hẹp. (Xem, ví dụ, Hướng dẫn phương pháp cân bằng rôto cứng theo GOST 22061-76 — tiêu chuẩn quốc tế tương ứng hiện nay là ISO 21940-11, trước đây là ISO 1940-1 — Mục 10, “Hệ rôto–gối đỡ”).
Điều này dễ thấy ở bánh công tác quạt hẹp, nơi ngoài mất cân bằng khối lượng còn có mất cân bằng khí động học do hình học cánh không đồng đều gây tải khí động không đều trên các cánh và do đó tạo lực hướng tâm tổng hợp. Giống lực ly tâm của quả cân hiệu chỉnh, lực này tỷ lệ với bình phương tốc độ, nhưng còn phụ thuộc vào điểm làm việc — mật độ không khí, vị trí van điều tiết, sức cản đường ống — nên quả cân được cân bằng ở một chế độ sẽ không còn tối ưu ở chế độ khác. Vì thế phải hiệu chỉnh thành phần khí động bằng cách khôi phục hình học cánh, không phải bằng cách thêm khối lượng.
Lực điện từ Trong máy điện, các hiện tượng như lực kéo từ không cân bằng do khe hở không khí lệch tâm, thanh rôto gãy hoặc lá thép ngắn mạch lại có quy luật khác: chúng do từ thông khe hở không khí chi phối, không phải tốc độ quay, và chủ yếu kích thích máy ở hai lần tần số lưới điện cùng các dải biên tần số vượt cực, thay vì ở 1×. Vì tác dụng ở các tần số khác tần số quay, cân bằng hoàn toàn không thể bù chúng. Tóm lại, cân bằng chỉ loại bỏ kích thích 1× liên quan đến khối lượng; nó không thể loại bỏ mọi nguồn rung của máy.
Dao động của cơ cấu
Dao động là phản ứng của thiết kế cơ cấu trước tác động của một lực kích thích tuần hoàn. Lực này có thể có nhiều bản chất khác nhau.
Lực ly tâm sinh ra từ rôto không cân bằng là một lực không được bù trừ tác động lên "điểm nặng". Chính lực này và độ rung do nó gây ra có thể được loại bỏ bằng cách cân bằng rôto.
Các lực tương tác có bản chất "hình học" phát sinh từ các lỗi sản xuất và lắp ráp của các bộ phận ghép nối. Ví dụ, các lực này có thể phát sinh do độ không tròn của cổ trục, sai lệch trong biên dạng răng của bánh răng, độ gợn sóng của rãnh lăn ổ trục, sự lệch trục của các trục ghép nối, v.v. Trong trường hợp cổ trục không tròn, trục quay sẽ bị dịch chuyển tùy thuộc vào góc quay của trục. Mặc dù sự rung động này cũng xảy ra ở tốc độ quay của rôto, nhưng hầu như không thể loại bỏ nó bằng cách cân bằng.
Lực khí động học phát sinh do sự quay của các bánh công tác của quạt và các cơ cấu cánh khác. Lực thủy động học phát sinh do sự quay của bánh công tác trong máy bơm thủy lực, tuabin, v.v.
Các lực điện từ phát sinh do hoạt động của các máy điện, ví dụ như cuộn dây rôto không đối xứng, cuộn dây bị đoản mạch, v.v.
Độ lớn rung động (ví dụ biên độ Av) không chỉ phụ thuộc vào lực kích thích Fv tác dụng lên cơ cấu với tần số góc ω, mà còn phụ thuộc vào độ cứng k của cơ cấu, khối lượng m và hệ số cản C, như công thức (1) dưới đây cho thấy.
Có thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau để đo rung động và cơ chế cân bằng, bao gồm:
- cảm biến rung động tuyệt đối được thiết kế để đo gia tốc rung động (cảm biến gia tốc) và cảm biến vận tốc rung động;
- Cảm biến rung động tương đối - dòng điện xoáy hoặc điện dung, được thiết kế để đo độ dịch chuyển rung động;
- Trong một số trường hợp (khi thiết kế cơ cấu cho phép), cảm biến lực cũng có thể được sử dụng để đánh giá tải trọng rung; đặc biệt, chúng được sử dụng rộng rãi để đo tải trọng rung của các giá đỡ máy cân bằng ổ cứng.
Vậy, rung động là phản ứng của máy móc trước tác động của các lực bên ngoài. Độ lớn của rung động không chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực tác động lên cơ cấu, mà còn phụ thuộc vào độ cứng của thiết kế cơ cấu. Cùng một lực có thể gây ra các rung động khác nhau. Trong máy cân bằng ổ cứng, ngay cả khi độ rung nhỏ, các ổ trục vẫn có thể phải chịu tải trọng động đáng kể. Đây là lý do tại sao cảm biến lực thay vì cảm biến rung động (gia tốc kế rung) được sử dụng khi cân bằng trên máy cân bằng ổ cứng.
Cảm biến rung được sử dụng trên các cơ cấu có giá đỡ tương đối dẻo, khi tác động của lực ly tâm do mất cân bằng gây ra biến dạng đáng kể ở giá đỡ và dẫn đến rung động. Cảm biến lực được sử dụng cho các giá đỡ cứng, khi ngay cả những lực lớn do mất cân bằng cũng không gây ra rung động đáng kể.
Cộng hưởng là yếu tố cản trở việc cân bằng
Trước đó, chúng ta đã đề cập rằng rôto được chia thành hai loại: cứng và dẻo. Không nên nhầm lẫn giữa độ cứng hoặc độ dẻo của rôto với độ cứng hoặc độ linh hoạt của các giá đỡ (nền móng) mà rôto được lắp đặt trên đó. Một rôto được coi là cứng khi độ biến dạng (uốn cong) của nó dưới tác dụng của lực ly tâm có thể bỏ qua được. Độ biến dạng của rôto dẻo tương đối lớn và không thể bỏ qua.
Trong bài viết này, chúng ta chỉ xem xét vấn đề cân bằng các rô-to cứng. Một rô-to cứng (không biến dạng) có thể được lắp đặt trên các giá đỡ cứng hoặc di động (mềm dẻo). Rõ ràng là độ cứng/tính linh hoạt của các giá đỡ này cũng mang tính tương đối, phụ thuộc vào tốc độ quay của rô-to và độ lớn của lực ly tâm sinh ra. Một giới hạn điều kiện là tần số dao động tự nhiên của các giá đỡ rô-to.
Đối với hệ cơ học, dạng và tần số dao động riêng được quyết định bởi khối lượng và độ đàn hồi của các phần tử trong hệ. Nghĩa là tần số dao động riêng là đặc tính nội tại của hệ cơ học, không phụ thuộc vào ngoại lực. Khi bị lệch khỏi vị trí cân bằng, các gối đỡ do tính đàn hồi có xu hướng trở về vị trí cân bằng. Nhưng do quán tính của rôto có khối lượng lớn, quá trình này mang tính dao động tắt dần. Đó là các dao động riêng của hệ rôto–gối đỡ. Tần số của chúng phụ thuộc vào tỷ số giữa khối lượng rôto và độ đàn hồi của gối đỡ, như công thức (2) dưới đây.
Khi rôto bắt đầu quay và tần số quay của nó tiệm cận với tần số dao động tự nhiên, biên độ dao động sẽ tăng đột ngột, điều này có thể dẫn đến hư hỏng kết cấu.
Hiện tượng cộng hưởng cơ học sẽ xảy ra. Gần cộng hưởng, đáp ứng được khuếch đại bởi hệ số chất lượng Q = 1/(2ζ), thường từ 3 đến 17 đối với kết cấu máy, và đỉnh cộng hưởng có thể rất hẹp: thay đổi tốc độ cỡ vài phần trăm có thể làm mức rung thay đổi nhiều lần. Khi đi qua cộng hưởng, độ trễ pha thay đổi 180°, đi qua 90° tại đỉnh.
Nếu thiết kế cơ cấu không phù hợp và tần số làm việc của rôto gần tần số dao động riêng, cơ cấu có thể không vận hành được do rung quá lớn. Khi đó không thể cân bằng bằng các phương pháp thông thường, vì chỉ một thay đổi nhỏ về tốc độ cũng làm thông số rung thay đổi mạnh. Cân bằng trong vùng cộng hưởng đòi hỏi các phương pháp đặc biệt, không được trình bày trong bài này.
Có thể xác định tần số dao động tự nhiên của cơ cấu khi chạy đà (khi ngắt nguồn quay rôto) hoặc bằng phương pháp va đập, sau đó tiến hành phân tích phổ phản ứng của hệ thống đối với tác động va đập.
Với cơ cấu có tần số quay làm việc cao hơn tần số cộng hưởng, tức làm việc ở chế độ siêu tới hạn (sau cộng hưởng), gối đỡ được coi là chuyển động và dùng cảm biến rung để đo, chủ yếu là gia tốc kế đo gia tốc của các phần tử kết cấu. Với cơ cấu làm việc dưới cộng hưởng, gối đỡ được coi là cứng; khi đó dùng cảm biến lực.
Các mô hình tuyến tính và phi tuyến của một hệ thống cơ học. Tính phi tuyến là yếu tố cản trở việc cân bằng
Khi cân bằng các rô-to cứng, người ta sử dụng các mô hình toán học được gọi là mô hình tuyến tính để thực hiện các tính toán cân bằng. Mô hình tuyến tính có nghĩa là trong mô hình đó, một đại lượng tỷ lệ thuận (tuyến tính) với đại lượng kia. Ví dụ, nếu khối lượng chưa được bù trên rô-to tăng gấp đôi, thì giá trị dao động cũng sẽ tăng gấp đôi. Đối với các rô-to cứng, có thể sử dụng mô hình tuyến tính, vì chúng không bị biến dạng.
Đối với các rô-to dẻo, không thể áp dụng mô hình tuyến tính nữa. Đối với một rô-to dẻo, nếu khối lượng tại điểm nặng tăng lên trong quá trình quay, sẽ xảy ra biến dạng bổ sung; ngoài khối lượng, bán kính tại vị trí của điểm nặng cũng sẽ tăng lên. Do đó, đối với rô-to dẻo, độ rung sẽ tăng gấp hơn hai lần, và các phương pháp tính toán thông thường sẽ không còn hiệu quả.
Một nguồn phi tuyến khác là độ cứng gối đỡ thay đổi khi độ võng lớn: ở độ võng nhỏ, một nhóm phần tử kết cấu chịu tải; ở độ võng lớn, nhóm khác bắt đầu tham gia. Vì vậy không thể cân bằng các cơ cấu không được cố định trên nền móng mà chỉ đặt trên sàn. Khi rung lớn, lực mất cân bằng có thể nhấc cơ cấu khỏi sàn, làm thay đổi đáng kể đặc tính độ cứng của hệ. Chân động cơ phải được bắt chắc, bu lông lắp đặt phải siết chặt, độ dày vòng đệm phải bảo đảm đủ độ cứng lắp đặt, v.v. Nếu ổ trục hỏng, trục có thể lệch lớn và va đập; điều này cũng gây phi tuyến đáng kể và không thể cân bằng đạt chất lượng.
Thiết bị cân bằng và máy cân bằng
Nhắc lại rằng cân bằng là quá trình đưa trục quán tính trung tâm chính trùng với trục quay của rôto.
Quy trình này có thể được thực hiện bằng hai phương pháp.
Phương pháp thứ nhất là gia công các ngõng trục rôto sao cho trục đi qua tâm các ngõng trùng với trục quán tính trung tâm chính của rôto. Kỹ thuật này hiếm dùng trong thực tế nên không được bàn chi tiết trong bài viết.
Phương pháp thứ hai (phổ biến nhất) là di chuyển, lắp đặt hoặc tháo gỡ các khối hiệu chỉnh trên rôto, sao cho trục quán tính của rôto nằm càng gần trục quay của nó càng tốt.
Việc di chuyển, thêm hoặc bớt các khối lượng hiệu chỉnh trong quá trình cân bằng có thể được thực hiện thông qua các công đoạn kỹ thuật khác nhau, bao gồm: khoan, phay, hàn đắp, hàn, vặn hoặc tháo vít, đốt bằng tia laser hoặc tia điện tử, điện phân, hàn đắp điện từ, v.v.
Quá trình cân bằng có thể được thực hiện theo hai cách:
- Cân bằng tại hiện trường (in situ) — rôto lắp hoàn chỉnh được cân bằng trên chính ổ trục, bệ móng và tốc độ làm việc của nó, bằng bộ thiết bị cân bằng di động;
- Cân bằng trong xưởng — rôto được tháo ra và cân bằng trên máy cân bằng chuyên dụng.
Để cân bằng rôto trên chính ổ trục của chúng, thường dùng các thiết bị hoặc bộ cân bằng chuyên dụng cho phép đo rung của rôto theo tần số quay dưới dạng vectơ, tức đo cả biên độ lẫn pha rung. Hiện nay các thiết bị này dựa trên công nghệ vi xử lý và, ngoài đo lường và phân tích rung, còn tự động tính các thông số của quả cân hiệu chỉnh cần lắp trên rôto để bù mất cân bằng.
Các thiết bị này bao gồm:
- một thiết bị đo lường và tính toán dựa trên máy tính hoặc bộ điều khiển công nghiệp;
- hai (hoặc nhiều hơn) cảm biến rung;
- cảm biến góc pha;
- phụ kiện để lắp đặt các cảm biến tại hiện trường;
- phần mềm chuyên dụng, được thiết kế để thực hiện toàn bộ quy trình đo các thông số rung động của rôto trên một, hai hoặc nhiều mặt phẳng hiệu chỉnh.
Hiện nay, có hai loại máy cân bằng được sử dụng phổ biến nhất:
- Máy gối mềm (gối đỡ đàn hồi);
- Máy gối cứng (gối đỡ cứng).
Máy gối mềm (trên cộng hưởng) có gối đỡ tương đối đàn hồi, ví dụ dùng lò xo lá. Tần số dao động riêng của các gối này thường thấp hơn 2–3 lần so với tần số quay của rôto cân bằng lắp trên đó, nên máy làm việc trên cộng hưởng. Để đo chuyển động của gối đỡ trên các máy trên cộng hưởng này thường dùng cảm biến rung như gia tốc kế hoặc cảm biến vận tốc rung.
Máy gối cứng (dưới cộng hưởng) dùng gối đỡ tương đối cứng, có tần số dao động riêng phải cao hơn 2–3 lần tần số quay của rôto đang cân bằng; do đó máy làm việc dưới cộng hưởng. Thông thường dùng đầu đo lực để đo tải động lên gối đỡ của máy dưới cộng hưởng.
Ưu điểm của máy cân bằng dưới cộng hưởng (gối cứng) là có thể cân bằng ở tốc độ rôto tương đối thấp, tới 400–500 vòng/phút; điều này đơn giản hóa đáng kể thiết kế máy và bệ móng, đồng thời nâng năng suất và độ an toàn khi cân bằng.
Cân bằng rô-to cứng
Lưu ý quan trọng!
- Việc cân bằng chỉ loại bỏ được rung động do sự phân bố không đối xứng của khối lượng rôto so với trục quay của nó. Các loại rung động khác không thể được loại bỏ bằng cách cân bằng!
- Các cơ cấu kỹ thuật, được thiết kế để đảm bảo không xảy ra hiện tượng cộng hưởng ở tần số quay làm việc, được cố định chắc chắn trên nền móng và lắp đặt trên các ổ đỡ trong tình trạng hoạt động tốt, phải được cân bằng.
- Máy móc bị hỏng phải được sửa chữa trước khi cân bằng. Nếu không, sẽ không thể thực hiện cân bằng chất lượng.
Việc cân bằng không thể thay thế cho việc sửa chữa!
Nhiệm vụ chính của cân bằng là xác định khối lượng và vị trí của các quả cân bù để triệt tiêu lực ly tâm.
Như đã nêu, với rôto cứng, nhìn chung cần và đủ lắp hai quả cân bù. Chúng sẽ loại bỏ cả thành phần tĩnh lẫn thành phần ngẫu lực của mất cân bằng rôto. Sơ đồ chung để đo rung khi cân bằng như sau.
Cảm biến rung được lắp trên các gối đỡ tại vị trí 1 và 2. Dấu một vòng quay được dán trên rôto, thường bằng băng phản quang. Máy đo tốc độ laser dùng dấu này để xác định tốc độ rôto và pha của tín hiệu rung.
Cách thức thực hiện cân bằng động (phương pháp ba lần chạy)
Trong đa số trường hợp, cân bằng động được thực hiện theo phương pháp ba lần chạy. Phương pháp này dựa trên việc lần lượt đặt các quả cân thử có khối lượng đã biết trên rôto ở mặt phẳng 1 và 2, rồi tính khối lượng và vị trí quả cân cân bằng theo sự thay đổi của các thông số rung.
Mặt phẳng lắp quả cân hiệu chỉnh được gọi là mặt phẳng hiệu chỉnh. Các mặt phẳng hiệu chỉnh nằm trên chính rôto — thường ở hai đầu thân rôto, trên đĩa quạt hoặc bánh công tác, hay trên các vòng cân bằng chuyên dụng. Cần chọn chúng cách xa nhau dọc theo trục trong phạm vi thiết kế cho phép, để một quả cân vừa phải tạo được mômen hiệu chỉnh đủ lớn. Điều này không giống với các điểm đo, nằm trên vỏ gối đỡ (xem Hình 6).
Ở lần chạy đầu, đo rung ban đầu (trong phần mềm Balanset là Run 0). Sau đó đặt một quả cân thử có khối lượng đã biết lên rôto, gần một trong các gối đỡ. Tiến hành lần chạy thứ hai (Run 1) và đo các thông số rung; chúng phải thay đổi do lắp quả cân thử. Tiếp theo tháo quả cân thử ở mặt phẳng thứ nhất và lắp vào mặt phẳng thứ hai. Thực hiện lần chạy thứ ba (Run 2) và đo thông số rung. Tháo quả cân thử, phần mềm sẽ tự động tính khối lượng và góc lắp của các quả cân cân bằng.
Sau đó lắp các quả cân hiệu chỉnh đã tính vào các mặt phẳng tương ứng và chạy kiểm tra — trong Balanset gọi là Run T (Trim). So sánh rung dư với dung sai. Nếu kết quả vẫn cao hơn mục tiêu, phần mềm sử dụng lại các hệ số ảnh hưởng đã xác định nên không cần chạy lại với quả cân thử; chỉ cần tính và lắp một hiệu chỉnh tinh nhỏ bổ sung.
Mục đích của việc lắp quả cân thử là xác định phản ứng của hệ đối với thay đổi mất cân bằng. Khối lượng và vị trí quả cân thử đã biết, nên phần mềm có thể tính các hệ số ảnh hưởng, cho biết việc đưa một mất cân bằng đã biết vào hệ ảnh hưởng thế nào đến thông số rung. Hệ số ảnh hưởng là đặc tính của chính hệ cơ học, phụ thuộc vào độ cứng gối đỡ và khối lượng (quán tính) của hệ rôto–gối đỡ.
Đối với các cơ cấu cùng loại và cùng thiết kế, các hệ số ảnh hưởng sẽ có giá trị gần nhau. Có thể lưu trữ các hệ số này trong bộ nhớ máy tính và sử dụng chúng để cân bằng các cơ cấu cùng loại mà không cần chạy thử, từ đó giúp tăng đáng kể năng suất của quá trình cân bằng. Lưu ý rằng khối lượng của các quả cân thử phải được lựa chọn sao cho các thông số rung động thay đổi rõ rệt khi lắp đặt các quả cân này. Nếu không, sai số trong tính toán các hệ số ảnh hưởng sẽ tăng lên và chất lượng cân bằng sẽ bị suy giảm.
Như có thể thấy ở Hình 1, lực ly tâm tác dụng theo hướng hướng kính, tức vuông góc với trục rôto. Vì vậy, các cảm biến rung phải được lắp sao cho trục nhạy của chúng cũng hướng theo phương hướng kính. Thông thường, độ cứng của bệ đỡ theo phương ngang nhỏ hơn nên rung động theo phương ngang lớn hơn. Do đó, để tăng độ nhạy, các cảm biến nên được lắp sao cho trục nhạy của chúng cũng hướng theo phương ngang. Mặc dù về nguyên tắc thì không có khác biệt cơ bản. Ngoài rung động theo phương hướng kính, cần giám sát cả rung động theo phương dọc trục, dọc theo trục quay của rôto. Rung động này thường không do mất cân bằng gây ra mà do các nguyên nhân khác, chủ yếu liên quan đến sự lệch tâm của các trục được nối với nhau qua khớp nối.
Không thể loại bỏ loại rung này bằng cân bằng; khi đó cần căn chỉnh đồng trục. Trong thực tế, các máy như vậy thường vừa mất cân bằng rôto vừa lệch trục, khiến việc khử rung khó hơn nhiều. Trong trường hợp này phải căn tâm máy trước rồi mới cân bằng. (Khi mất cân bằng mômen lớn, rung cũng xuất hiện theo phương trục do kết cấu bệ móng bị “xoắn”.)
Các bài viết liên quan (ví dụ về giá đỡ thăng bằng)
Tiêu chí đánh giá chất lượng cơ chế cân bằng
Chất lượng cân bằng của rôto (cơ cấu) có thể đánh giá theo hai cách. Cách thứ nhất là so sánh lượng mất cân bằng dư xác định trong quá trình cân bằng với dung sai mất cân bằng dư. Các dung sai cho các lớp rôto khác nhau được quy định trong Tiêu chuẩn ISO 21940-11 (trước đây là ISO 1940-1).
Cách tính dung sai (ISO 21940-11). Tiêu chuẩn quy định cấp chất lượng cân bằng G, là tích của độ mất cân bằng riêng cho phép emỗi và vận tốc góc làm việc ω, biểu thị bằng mm/s:
- ω = 2π·n / 60 [rad/s], trong đó n là tốc độ làm việc tính bằng vòng/phút;
- emỗi = G · 1000 / ω [g·mm/kg] (về số trị bằng độ lệch tâm khối lượng tính bằng µm) — tương đương emỗi = 9549 · G / n;
- Umỗi = emỗi · m [g·mm], trong đó m là khối lượng rôto tính bằng kg.
Ví dụ tính toán. Rôto m = 50 kg, tốc độ làm việc n = 3000 vòng/phút, cấp G 6,3 (quạt, bơm, động cơ điện tiêu chuẩn): ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s; emỗi = 6,3 · 1000 / 314,2 = 20,1 g·mm/kg (kiểm tra chéo: 9549 · 6,3 / 3000 ≈ 20,1); Umỗi = 20,1 · 50 ≈ 1000 g·mm cho toàn bộ rôto.
Phân chia dung sai giữa hai mặt phẳng. Với rôto có tâm khối lượng nằm giữa hai mặt phẳng hiệu chỉnh, tổng dung sai được chia tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ tâm khối lượng đến từng mặt phẳng; với rôto đối xứng thì đơn giản là một nửa cho mỗi mặt phẳng — trong ví dụ trên là khoảng 500 g·mm cho mỗi mặt phẳng. Không mặt phẳng nào nên nhận quá 70% hoặc dưới 30% của Umỗi.
Các cấp điển hình: G 0,4 — con quay hồi chuyển, trục chính máy mài chính xác · G 1 — trục chính máy mài, rôto chính xác · G 2,5 — tuabin, tuabin-máy phát, truyền động máy công cụ · G 6,3 — cơ khí thông dụng: quạt, bánh công tác bơm, bánh đà, động cơ điện tiêu chuẩn · G 16 — trục các-đăng có yêu cầu đặc biệt, máy nông nghiệp, máy nghiền · G 40 — bánh xe ô tô, trục truyền động (trục các-đăng) · G 100 — truyền động trục khuỷu của động cơ diesel tốc độ cao.
Tuy nhiên, việc tuân thủ các dung sai quy định không thể đảm bảo hoàn toàn độ tin cậy hoạt động của cơ cấu, vốn liên quan đến việc đạt được mức độ rung động tối thiểu của nó. Điều này được giải thích bởi thực tế là cường độ rung động của cơ chế không chỉ được xác định bởi cường độ lực liên quan đến sự mất cân bằng dư của rôto, mà còn phụ thuộc vào một số thông số khác, bao gồm: độ cứng k của các yếu tố cấu trúc cơ chế, khối lượng m, hệ số giảm chấn, cũng như tần số quay. Do đó, để đánh giá các đặc tính động học của cơ cấu (bao gồm cả chất lượng cân bằng của nó), trong một số trường hợp, nên ước tính mức độ rung động dư của cơ cấu, được quy định bởi một số tiêu chuẩn.
Tiêu chuẩn được dùng rộng rãi nhất về mức rung cho phép của máy công nghiệp là ISO 20816-3 (trước đây là ISO 10816-3). Tiêu chuẩn áp dụng cho máy trên 15 kW, chạy ở 120–15.000 vòng/phút, và phân loại theo hai chiều: nhóm công suất (Nhóm 1 — trên 300 kW; Nhóm 2 — 15 đến 300 kW) và loại gối đỡ (cứng hoặc mềm). Mỗi tổ hợp có các ranh giới vùng A/B, B/C và C/D riêng theo mm/s RMS. Máy ngoài phạm vi này có các phần chuyên biệt của bộ tiêu chuẩn (tổ máy tuabin — ISO 20816-2, máy thủy lực, máy tịnh tiến, bơm) hoặc tiêu chuẩn sản phẩm như ISO 14694 cho quạt công nghiệp.
Đối với máy thông dụng đánh giá trên các bộ phận không quay, các Tiêu chuẩn ISO 10816-1 vùng cổ điển (nay thuộc ISO 20816-1) có các giới hạn vận tốc rung sau đây, mm/s RMS:
| Lớp học | A/B | B/C | ĐĨA CD |
|---|---|---|---|
| Lớp I (máy nhỏ, đến 15 kW) | 0.71 | 1.80 | 4.50 |
| Lớp II (máy trung bình, 15–75 kW) | 1.12 | 2.80 | 7.10 |
| Lớp III (máy lớn, nền móng cứng) | 1.80 | 4.50 | 11.20 |
| Lớp IV (máy lớn, nền móng mềm) | 2.80 | 7.10 | 18.00 |
Vùng A tương ứng với rung của máy mới; vùng B chấp nhận được cho vận hành dài hạn không hạn chế; vùng C chỉ cho phép vận hành hạn chế; vùng D cho biết rung nghiêm trọng đến mức có thể gây hư hỏng.
Tiêu chuẩn và tài liệu tham khảo
- ISO 21940-11:2016 — Rung cơ học — Cân bằng rôto — Phần 11: Quy trình và dung sai cho rôto có ứng xử cứng. (Thay thế ISO 1940-1, tiêu chuẩn đã bị rút.) Máy tính cấp G và dung sai →
- ISO 21940-2 — Rung cơ học — Cân bằng rôto — Phần 2: Thuật ngữ. (Định nghĩa mất cân bằng tĩnh, ngẫu lực, bán tĩnh và động.)
- ISO 20816-1:2016 — Rung cơ học — Đo và đánh giá rung động máy — Phần 1: Hướng dẫn chung. (Thay thế ISO 10816-1 và ISO 7919-1.) Các vùng đánh giá →
- ISO 20816-3:2022 — Rung cơ học — Đo và đánh giá rung động máy — Phần 3: Máy công nghiệp có công suất danh định trên 15 kW và tốc độ danh định từ 120 vòng/phút đến 15.000 vòng/phút. (Thay thế ISO 10816-3:2009.)
- ISO 14694:2003 — Quạt công nghiệp — Yêu cầu kỹ thuật về chất lượng cân bằng và mức rung.
Câu hỏi thường gặp
Liệu việc cân bằng có loại bỏ hoàn toàn rung động không?
Không. Cân bằng giúp loại bỏ rung động do sự phân bố khối lượng rôto không đối xứng so với trục quay của nó. Rung động do lệch trục, lỗi ổ trục, lực khí động học/thủy động học, lực điện từ và các nguyên nhân khác cần được chẩn đoán và khắc phục riêng biệt.
Tại sao quá trình cân bằng có thể thất bại gần điểm cộng hưởng?
Gần điểm cộng hưởng, những thay đổi nhỏ về tốc độ có thể gây ra những thay đổi lớn về biên độ dao động và độ lệch pha 180°. Trong điều kiện như vậy, kết quả đo trở nên không ổn định và các quy trình cân bằng thông thường có thể không hội tụ nếu không sử dụng các phương pháp đặc biệt.
Khi nào bạn cần cân bằng trên một mặt phẳng so với cân bằng trên hai mặt phẳng?
Một mặt phẳng là đủ cho rôto dạng đĩa, có chiều dài theo trục nhỏ so với đường kính — theo quy tắc kinh nghiệm L/D < 0,5 — và tốc độ làm việc thấp hơn đáng kể tốc độ tới hạn thứ nhất. Ví dụ điển hình: đá mài, bánh công tác quạt một đĩa, puli, bánh xe ô tô. Rôto này hầu như chỉ có mất cân bằng tĩnh.
Hai máy bay cần thiết cho rôto dài (L/D ≥ 0,5), cho bất kỳ rôto nào có hai hoặc nhiều bánh công tác hay đĩa bố trí dọc theo trục, và bất cứ khi nào pha rung tại hai gối đỡ khác biệt rõ rệt — dấu hiệu của thành phần ngẫu lực. Rôto cứng không bao giờ cần quá hai mặt phẳng.
Khi còn nghi ngờ, hãy đo ở cả hai gối đỡ: nếu hiệu chỉnh một mặt phẳng làm giảm rung ở một gối nhưng tăng rung ở gối kia, rôto có thành phần ngẫu lực và cần cân bằng hai mặt phẳng.
Cần làm gì trước khi cân bằng?
Hãy đảm bảo máy móc hoạt động tốt: lắp đặt chắc chắn vào nền móng, ổ bi hoạt động tốt, không bị lỏng nghiêm trọng và không có nguồn gây ra hiện tượng phi tuyến tính rõ ràng. Cân bằng không thể thay thế cho việc sửa chữa.
Những điểm chính cần ghi nhớ
- Việc cân bằng giúp khắc phục sự kích thích liên quan đến khối lượng (ly tâm); nó không giải quyết được sự sai lệch, hư hỏng ổ trục hoặc các nguồn điện từ/khí động học.
- Hiện tượng cộng hưởng và phi tuyến tính có thể khiến các phương pháp cân bằng thông thường trở nên không hiệu quả hoặc không an toàn.
- Với rôto cứng, cân bằng hai mặt phẳng là giải pháp tổng quát cho mất cân bằng động (tổ hợp tĩnh + ngẫu lực).
